（机械设计及理论专业论文）基于逆向工程的数据处理.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于逆向工程的数据处理 摘要 逆向工程技术( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 最早应用于汽车，飞机等制造业，其行 业产品的表面多为自由曲面，难以用精确的数学模型描述，研究和应用主要集中 在几何形状。 论文目的是解决难以用数学模型描述的自由曲面，通过数据处理将采集来的 数据经过一定的处理，提供三维软件通用的接口文件，重建出真实图形。提高实 物重建的精度。重点阐述了数据处理中的去噪声点( 异常点) ，i g e s 数据格式的 转换，多视图拼合，数据插值和精简数据，图形显示技术。 首先是对整个程序框架的构建：采用v c + + 作为实现环境，连接o p e n g l ( 即 开放性图形库o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 。o p e n g l 是种图形应用程序设计界面 ( a p i ) ，独立于硬件系统操作系统和窗口系统。v c 用来组织进程，实现算法。 主要定义两个类：c m a t r i x 矩阵类和c b u f f e r 缓存类，其它所有的工作都是基于这 两个类生成的。矩阵的所有操作都集中在类里，只留部分函数接1 3 和成员数据。 因此这两个类是整个系统的基础，设计好这两个类至关重要。 然后进行预处理，这里讲的预处理主要指噪声点。由于在测量数据过程中， 不可避免的会产生噪声点。准确高效的剔除，是数据处理中一个很重要的问题。 系统采用对数据进行划分微小区域，相对于某确定点，找到其特定邻域。然后利 用概率论和数理统计的正态分布进行查找对应的异常点。再用降值的办法使其落 在概率为9 9 7 4 范围内( 即3 盯内) ，可以直接去掉这些数据点。 其次是对点云数据进行i g e s 数据格式的转换，使之成为三维软件可以识别的 通用数据格式。转换过程中必须严格遵循i g e s 格式对应的含义，才能准确地将数 据文件写成i g e s 格式。在输入c a d 系统时，自动将测量数据分层设置，以不同 的颜色显示，为几何模型蘼建提供了方便。 出于扫描的点云文件数量大。计算处理方面费时且占计算机资源。因此如何将 这些数据减少或者优化是很重要的问题。论文提出了数据精简的算法，通过对数 据点云曲率变化的幅度大小来确定删除数据的多少，郎在曲率变化很小豹区域要 删去大量的数据点而在曲率变化较大的区域则不进行删除。这样使得数据就会 德到合理处理，生成豹图形疏密氆很直鼹。在后续的处理工作中会缩短时闻，节 东北大学硕士学位论文摘要 省空间。 由于点云数据只给出了曲面的型值点，无法知道曲面上的其他值。插傻算法可 以近似地知道由这些点云所组成的曲面上每一个点的坐标值，为后续曲面的生成 提供了依据，也可以为那些曲率变化大的棱角进行补充型值点。 对点云数据用o p e n g l 进行显示，遵循图形学，还有成像原理。进而对图形进 行各种操作旋转，平移，以及比例缩放等。通过坐标变换，数据统一( 线性的) ， 使两个有重叠部分的图形组成一个完整的图形。与此同时，还可以将重叠的部分 识别出来。 关键词逆向工程数据处理多视拼含插值查询精简数据 i i i 查! ! 垄芏壁主堂堡笙查垒堕塑竺 d a t ap r o c e s s i n gb a s eo nr e v e r s ee n g i n e e r i n g a b s t r a c t t h er e v e r s ee n g i n e e r i n g ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) a p p l yt ot h ea u t o m o b i l e ， s u c hm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e sa st h ep l a n e ，e t c s u r f a c eo f i t st r a d ep r o d u c ti sm o s t l yt h e f r e ec u r v e ds u r f a c e s d i f f i c u l tt od e s c r i b ew i mt h ea c c u r a t em a t h e m a t i c sm o d e l s t u d y a n du s ea r ec o n c e n t r a t i n go nt h ef o r mo fg e o m e t r ym a i n l y t h em a i np u r p o s eo ft h et h e s i si st os o l v et h ed i f f i c u l tf r e e d o mc u r v ea n dc u r v e d s u r f a c et h a ti sd e s c r i b e dw i t ht h em a t h e m a t i c sm o d e l ，p a s sc e r t a i nt r e a t m e n tt h r o u g h d a t ap r o c e s s i n gd a t aw h i c hc o m et og a t h e r ，o f f e rw i t ht h r e e - d i m e n s i o n a is o f t w a r ei n c o m m o ni n t e r f a c ef i l e ，r e b u i l dt h et r u ef i g u r e ，i m p r o v i n gt h ep r e c i s i o no ft h em a t e r i a l o b j e c tr e b u i l d i n g t h et h e s i sh a sb e e ne x p l a i n e dt oe l i m i n a t et h en o i s ed a t a ( u n u s u a l d a t a ) i nd a t ap r o c e s s i n ge s p e c i a l l y , t h ec o n v e r s i o no fi g e sd a t af o r m ，t oi n c o r p o r a t e m a n yv i e w s ，t oi n s e r td a t aa n dt os i m p l i f yd a t a ，g r a p h i c a ld i s p l a yt e c h n o l o g y f i r s t l yi ti st h ec o n s t r u c t i o no f t h ef r a m eo ft h ew h o l ep r o c e d u r e ：t h et h e s i sa d o p t s v c + + a sr e a l i z i n gt h ee n v i r o n m e n t , t oj o i no p e n o l ( n a m e l yo p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) o p e n g li s a l li n t e r f a c e ( a p oo ff i g u r ep r o g r a mt od e s i g n ，i n d e p e n d e n to fh a r d w a r e s y s t e m ，o p e r a t i n gs y s t e ma n dw i n d o ws y s t e m v ci su s e dt oo r g a n i z et h ep r o c e s s ，t o r e a l i z ea l g o r i t h m s 1 1 1 et h e s i sm a i n l yd e f i n i t ct w oc l a s s ：c m a t r i xm a t r i xa n dc b u e r b u f f e rm e m o r y , o t h e ra l lw o r kw e r ep r o d u c e do nb a s eo ft h e s et w oc l a s s e s n l ea l l o p e r a t i o na r ec o n c e n t r a t eo nc l a s so fm a t r i x ，o n l yk e e ps o m ef u n c t i o ni n t e r f a c ea n d m e m b e r sd a t a s ot h e s et w oc l a s sa l ef o u n d a t i o n so ft h ew h o l es y s t e m ，t h e s et w oa r e e s s e n t i a lt h a td e s i g nw e l l t h e nc a r r y i n go nt h ep r e t r e a t m e n t ，t h ep r e t r e a t m e n ts p o k e nh e r em a i n l yp o i n t st o t h en o i s ed a t ai nt h ec o u r s eo f m e a s u r e m e n t ，i ti su n a v o i d a b l et op r o d u c et h en o i s ed a t a h o wt oe l i m i n a t en o i s ed a t aa c c u r a t e l ya n dh i g h e f f i c i e n t ，i ti sav e r yi m p o r t a n tp r o b l e m i nd a t ap r o c e s s i n g t h i ss y s t e ma d o p t st od i v i d et h es m a l la l e at ot h ed a t a t of i n di t s s p e c i f i cn e i g h b o r h o o do fc o n f i r m a b l ed a t a ，t h e nw eu t i l i z en o r m a ld i s t r i b u t i o no f p r o b a b i l i t yt h e o r ya n dm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c st of i n do u tt h ec o r r e s p o n d i n gu n u s u a ld a t a a n dt h e nm a k ei tf a l lw i t h i nt h er a n g eo fp r o b a b i l i t y ( 9 9 7 4 ) w i t ht h em e t h o do ft h e i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t l o w e r i n gv a l u e ，a n dr e m o v et h e s ed a t a s e c o n d l yc a r r y i n go nc o n v e r s i o nf r o ms o m ec l o u dd a t at oi g e sf o r m ，a n dm a k ei t b e c o m ed i s c e r nb yt h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r ei nc o m m o n t r a n s f e r r i n gp r o c e s sm u s t f o l l o wt h em e a n i n go fi g e sw i t hc o r r e s p o n d i n gf o r ms t r i c t l y , a n dw r i t et h ed a t af i l ea s i g e sf o r ma c c u r a t e l y w h i l ei n p u t t i n gc a d s y s t e m ，t h em e a s u r e dd a t aa u t o m a t i c a l l yi s s e tu pl a y e r ，s h o w i n gw i t hd i f f e r e n tc o l o r s ，a n dr e b u i l ta n dp r o v i d e de o n v e n i e n c ef o rt h e g e o m e t r ym o d e l b e c a u s eq u a n t i t yc l o u dt h a ts c a n n e di sl a r g e ，c o m p u t i n gi st i m e c o n s u m i n ga n d a c c o u n t i n gf o rc o m p u t e rr e s o u r c e s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tp r o b l e mt oh o wt or e d u c eo r o p t i m i z et h e s ed a t a t h ed o c u m e n tp r o p o s ea l g o r i t h mt h a td a t as i m p l i f y , t h r o u g hi ti s c o n f i r mt od e l e t ei nc o o r d i n a t et oc u r v a t u r e ，n a m e l yv e r yc h a n g e ds m a l la r e al e a v eo u ta l a r g en u m b e ro fn u m b e r , b u tt h ec h a n g e dl a r g e ra r e ad o e sn o td e l e t e di nc a m b e r t h e d a t aw i l lb ed e a l tw i t hr a t i o n a l l yl i k et h i s ，t h ef i g u r ed e n s i t yp r o d u c e di sv e r yo c u l a rt o o i tw i l ls h o r tt i m ei nw o r ko f t r e a t m e n to f f o l l o w - u p ，a n ds a v et h es p a c e b e c a u s ec l o u dd a t ap r o v i d et y p ev a l u eo fc u r v e ds u r f a c e ，c a n tk n o wo t h e rv a l u eo f c u r v e ds u r f a c eo n l y i n s e r t i n ga l g o r i t h mc a nk n o we v e r yc o o r d i n a t ev a l u eo fp o i n to n t h ec u r v e ds u r f a c eb yt h ec l o u d ，o f f e rb a s i sf o r t h ef o l l o w u pc u r v e ds u r f a c e a n d s u p p l e m e n tv a l u eo r d e rf o rc a m b e rt h o s eh e a v ya n g l et o o c l o u dd a t ai ss h o w e dt of o l l o wt h ef i g u r e ，p r i n c i p l eo fi m a g eb yo p e n g l a n d t h e nr o t a t ev a r i o u sk i n d so fo p e r a t i o nt ot h ef i g u r e ，t r a n s l a t i o n ，a n dt h ep r o p o r t i o ns c a l e ， e t c t h r o u g hv a r y i n gt h ec o o r d i n a t e ，吐i 郇n gl i n e a r l yd a t a , m a k et w oo v e r l a p p e d f i g u r e st om a k eu pa ni n t a c tf i g u r e m e a n w h i l e ，i tc a l la l s ob er e c o g n i z e dt h ep a r t o v e r l a p p e d k e y w o r d sr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，m u l t i p l ev i e w su n i t e v a l u ei n q u i r y ，s i m p l i f yd a t a v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论 文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学 位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：娜未辛 日期：加上2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章概速 1 1 逆向工程简介 1 1 1 逆向工程概述 第一章概述 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，也称反求工程，反向工程等。逆向工程起 源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路。 传统的产品实现通常是从概念设计到样图，再制造出产品，我们称之为正向 工程( 或顺向工程) ，而产品的逆向工程是根据零件( 或原型) 生成图样，再制造产品。 逆向工程与传统的正向设计的根本区别在于【1 1 ：正向设计是由抽象的较高层次概念 或独立设计过渡到设计的物理实现，从设计概念到c a d 模型有一个明确的过程： 而逆向工程是基于一个可以获得的实物模型来构造出它的设计概念，并且可以通 过对重构模型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的逼近或修改的目的以 满足生产要求。从数字化点的生成到c a d 模型的创建是个推理的过程。两者的 比较如图( 1 1 ) 所示。 硼斗 p ；黥。疆2 设计o 秽 c 】| ( a ) 正向工程流程图 ( b ) 逆向工程流程图 图1 1 正向工程与逆向工程流程比较图 f i g1 1c o m p a r eo f e n g i n e e r i n g a n dr e v e r s ee n g i n e e r i n g 逆向工程是一种以先进产品设备的实物，样件，软件( 包括图样，程序，技术 文件等) 或影像( 图像，照片等) 作为研究对象应用现代设计方法学，生产工程学， 一1 一 东北大学硕士擘位论文 第一章概述 材料学和有关专业知识进行系统分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出 同类的更为先进的产品的技术，是针对消化吸收先进技术采取的一系列分析方法 和应用技术的结合。广义的逆向工程包括形状( 几何) 逆向，工艺逆向和材料逆 向等诸多方面，是一个复杂的系统工程。 目前，大多数有关“逆向工程”技术的研究和应用都集中在几何形状，即重 建产品实物的c a d 模型和最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程”【2 】。这是 因为一方面，作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广，最多的一类设计成 果，也是最容易获得的研究对象：另一方面，在产品开发和制造过程中，虽已广 泛使用了计算机几何造型技术，但是仍有许多产品，由于种种原因，最初并不是 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 模型描述的，设计和制造者面对 的实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径将实物样件转换 为c a d 模型，以便利用计算机辅助制造( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r e ，c a m ) ，快 速原型制造和快速模具( r a p i dp r o t o t y p i n gm m a u f a e t u r e r a p i dt o o l i n g ，r p m r t ) ，产 品数据管理( p r o d u e td a t am a n a g e m e n t ，p d m ) 计算机集成制造系统( c o m p m e r i n t e g r a t em a n u f a e t u r es y s t e m ，c i m s ) 等先进技术对其进行处理或管理。同时，随着 现代技术的发展，快速、精确地获取实物的几何信息已变成现实。目前，这种从 实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已成为c a d c a m 系 统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。在这种意义下，“实 物逆向工程”( 简称逆向工程) 可定义为：逆向工程是将实物转变为c a d 模型相关 的数字化技术、几何模型重建技术和产品帚4 造技术的总称。 1 1 2 逆向工程的构成 逆向工程分为三大模块：坐标点测量，数据处理和曲面模型重建。( 如图1 2 ， 图1 3 ，图1 4 所示) ( 1 ) 几何测量：通过合适的测量方法来获得产品的三维形状； ( 2 ) 数据处理：处理所获得的三位数据，从而符合后续操作的要求； ( 3 ) c a d 建模：必须建立一个完整的c a d 模型，从而能够借以描述产品的 全部相关数据。 2 东北大学硕士学位论文 第一章概述 数据采集 + 预处理 分段和曲面拟含 i 创建c a 。模型 图1 2 逆向工程的基本阶段 f i g1 2p h a s eo f t h er e v e r s ee n g i n e e r i n g 图1 3 逆向工程的过程 f i g1 3c o u r s eo f t h er e v e r s ee n g i n e e r i n g 数据处理是逆向工程的关键所在，也是整个过程的关键【l l o 而数据处理的难点 在于：最能反映曲面特征的特征点线面的智能化提取，以及基于散乱数据点的曲 面重构和曲面光顺。这也是目前各种商品软件力求解决的问题所在。 滤波去噪h 数据精简4 构造实体h 构造特征环 三维实体重构l c a d 造型软件 数据处理特征识别 三维实体蕈构 图1 4 逆向工程的关键 f i g1 4t h ek e y o f t h er e v e r s ee n g i n e e r i n g 逆向工程的整个过程如下图1 5 所示。 3 - 东北大学硕士学位论文 第一章概述 图1 5 逆向工程全过程 f i g1 5t h ew h o l ec o u r s eo ft h er e v e r s ee n g i n e e r i n g 1 1 3 逆向工程的关键技术 数据处理是逆向工程中的关键环节，它的结果将直接影响后期模型重构的质 量。此过程中经常包括以下几方面的工作【4 j 数据预处理，如噪声处理、多视拼合 等增强数据的合理性及完备性。数据分块，整体曲面的拟合往往较难实现，通 常采用分片曲面的拼接来形成整块曲面。数据光顺，通常采用局部回弹法、圆 率法、最, b - 乘法和能量法等来实现。三角化( stl ) ，直接为rpm 产生切片 数据和为b e z i e r 三角曲面造型莫定基础。数据优化，压缩不必要的曲面片内的数 据点，减少后期计算量。散乱数据处理，对于具有较复杂形状的工件，测量数据 中必然有一部分是无序的，须建立数据点之间的拓扑关系。 在数据处理的过程中，有以下几个要注意的地方1 2 9 】： 1 过滤：用来除去来自测量过程中的噪声信号，或者用来生成二进制数据文 件。大量的过滤器可以是线性，动态，阀限的等等。 2 结构化：如果来自测量的数据是非结构化并且不是依据扫描线的话，用来 创建点之间的相邻关系。 3 数据压缩：由于所获得的数据可能达到几十万甚至几百万的点数，因此数 据压缩对于测量数据是必要的。数据压缩的智能化是至关重要的，这意味着在曲 面变化较平坦的部分压缩较大( 例如平面) ，在曲面变化较大的区域只是轻微的压缩 f 例如边界1 。 4 特征识别：由于一个特征可以是有某种意义的任一系列的点，特征识别的 范围涵盖了从表面描述的探测( 例如平面，柱体) 基础上的边缘探测到诸如螺孔或固 定夹具等表面复杂制造特征的探测。 数据处理技术的应用只取决于所获得数据的分布以及后续操作的要求。由于 4 东北大学硕士学位论文 第一章概述 这个原因，数据处理可以认为是数据获取和模型生成之问的接口。 1 2 逆向工程的现状和发展 1 2 1 逆向工程在国外的应用与发展 国外专用的逆向工程的软件有i m a g e w a r e ，p a r a f o r m ，g o m a g i c d e n g 等，基于正 向的商品化c a d c a l l i c a e 系统软件，如美国e d s 公司的卜d e a s 和u g n x ，以及p t c 公司的p r o e n g i n e e r ，法国m a t r a 公司的e u c l i d 及s t r i m ，日本h z s 公司的 g r a d e c u b e n c 等。尽管各个软件的特点、功能各有千秋，但这些软件都包宙基本 的逆向处理，如点处理，曲线，曲面拟合，曲线，曲面编辑模型三角化，多种显 示模型及数据输出格式等。应该说，这些软件代表了当前逆向工程的研究成果和 水平。 l a w s o n t 5 j 于1 9 7 7 年提出了建立散乱点三角形拓扑关系，这是后来众多方法的 基础。c h o i 6 1 提出了直接形成三维空间教乱点的拓扑关系的方法：先形成结点列表 t l i s t 后形成t b l ( t r a n s i e n tb o u n d a r yl i s 0 ，以t l i s t 为初始，完成整三角形。使 用价值较大的是p a r d 【7 】等人完成的一种自适应的空间散乱点的光滑逼近方法，其首 先基于内外边界和特征构造初始三角形网格，对存在内边界的区域交互地分为几 个无内空的子区域，然后逐步插入最大误差点并递推进行，直到所有数据点在设 置的误差阈值以内。这种方法将拓扑关系的建立和模型重建有效地统一起来，优 点是实现简单，数据压缩量大而且在加点的过程中只需对局部曲面重构。f a n g 1 在这方面做过大量的工作，他从平面散乱点处理研究开始直到空间散乱点，他的 主体思路是采用一种被称作包围盒技术，将散乱点归入每个盒子当中，然后利用 盒子的相互关系建立拓扑。k a m 9 1 提出了几何分解方法完成曲面形状检测的思想， 采用“曲面曲线点集测点集”的分解次序，实现了从曲面到测点集的分解和曲 面评价工作。p a h k t l o j 等初步探讨了模具型面检测随曲率变化的布点方法。 v a s i l e s c u 1 等研究了基于运动方程的节点动态模型曲面网格自适应划分：a h n 幢l 等提出的神经网络自组织特征识别原理实现了曲面网格的均匀和非均匀网格划 分；c h m e n q t u 】对自由曲面的检测点数确定进行研究，提出检测点数的计算公式， 认为检测点数和设计时给定的公差范围与加工因素有关。k k a s e l 等则给出了一 种利用原始c a d 模型上的点与实际表面上测点间主曲率变化的局部评定方法和基 于法矢的总体评价方法，并在实际零件上进行了验证，该评价方法直观，对零件 上的缺陷部位有一个明确的认识，便于迸一步改进。y f z h a n g i s l 等人采用神经网 络的方法对采样点数量的确定i 并行了研究，该方法的优点是，网络结构和网络参 一s 一 东北大学硕士学位论文第一章概述 数确定后，适合网络范围采样点数量的计算非常简单，但网络的使用范围小，仅 限于不同的加工方法下一定直径范围内的圆柱孔，在确定网络参数时需要进行大 量的加工试验来形成训练样本。 1 2 2 逆向工程在国内的应用与发展 姜寿山f l6 】等1 9 9 5 年提出了从曲面凸保形的角度进行散乱数据优化划分的条 件。柯映林1 1 7 j 实现了c h o i 提出的三维直接三角化方法，并将自己提出的平面域内 三角化方法作为复杂情况下的补充。高国军【is j 提出了检测点数按曲率分布的方法， 并采用实验方法给出了在一定的加工工艺能力和检测精度前提下不同曲率的加工 曲面对应检测点数量的确定系数。王平江【1 9 j 贝0 提出了参数曲面形状误差计算的迭 代逼近方法，较之于最佳匹配方法，其计算的相对误差大大减少，但实现起来过 程复杂；还提出了等弧长均匀网格划分技术，并通过人机交互实现非均匀网格的 划分，该方法不仅要求已知曲面的边界曲线，而且不能实现真正的等弧长。白作 霖1 2 0 l 等对基于坐标测量机的自由曲线曲面的测量进行了研究。在决定初始测量方 向后沿零件某一截面自动扫描测量，测量步长设定在一定的范围内，初值取最小， 自动测量过程中按照被测曲线相对于测量方向的变化快慢对步长进行动态调整。 来新民专家以曲面上某一点处的主曲率的几何平均值为测度来对测点进行更具几 何不变性的物理域上的规划，并通过采用非线性规划方法来实现在给定采样精度 下自适应地选取最少的采样点；还提出了基于曲面曲率的自适应压缩方法，该方 法首先用s p e a r d 局部插值法拟合曲面，产生给予曲率信息的抽样拓扑矩阵阵列， 应用质心原理生成实际的拓扑矩阵阵列。 无论采用哪种方法进行散乱点的拓扑关系重构，主要有下面三个原则来衡量 优劣：适应性，即这种方法是否可以处理各种类型的数据集合，如多连通非凸 域，多值数据等；复杂性，算法实现的难易程度；时间效率性，这点尤为重 要，因为反求工程中的数据量往往是非常大的。 国内研究状况与国外相比，国内研究起步晚、经费投入少，限制了高水平研究 的开展，创新性的研究不多，在世界学术领域，还没有形成较大的影响力。已知的 较早从事逆向工程研究的单位多为高等院校，较有代表性的有西安交通大学c i m s 中心的面向c m m 的逆向工程测量方法和基于线结构光视觉传感器的光学坐标测 量机的研究、上海交通大学国家工程模具中心的集成系统和自动建模技术、浙江 大学生产工程研究所的三角面片建模、南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中 心的基于海量散乱点三角网格面重建和自动建稹方法、华中科技大学的曲面测量 与重建和西北工业大学的数据点处理、建模等，为数不多的论文散见于计算机应用、 6 东北大学硕士学位论文第一章概述 机械工程等类学位论文、会议及杂志上。在应用研究上，除一些实验室的小型软 件外，自主开发的商用逆向软件仅有浙江大学生产工程研究所的反求工程c a d 软 件r e s o f t 和西北工业大学的实物测量造型系统n p u s r m s ，由于缺乏自主的 c a d c a m 软件的支撑，以及逆向工程的上游测试设备和下游应用 ( c a d c a e c a m ) 基本为国外产品，使得国产软件产品在设备接口、数据转换和应 用上一赢滞后于相关产品，开发的软件显得势单力薄，与国外软件相比处于竞争 的劣势。 1 3 课题的来源与研究内容 1 3 1 课题的来源 本课题是校学科建设项目“大型成套设备全寿命周期设计与可靠性”下的子 课题：三维曲面数据采集与形态实现。逆向工程技术已经引起各国工业界和学术 界的高度重视，特别是随着计算机技术及测试技术的发展，利用c a d c a m 技术， 先进制造技术来实现产品实物的逆向工程，已成为逆向工程技术应用的主要内容。 目前，这种从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已成为 c a d c a m 系统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。因此， 提出了基于逆向工程的数据处理研究方向。 1 3 。2 课题的研究内容 课题主要介绍基于逆向工程的数据处理以及图形显示，具体研究和工作内容 为： 1 构建两个基础类：矩阵( c m a t r i x ) 类和缓存( c b u f f e r ) 类的设计，矩阵 类用来实现矩阵的构建及组织各种矩阵的运算；缓存类实现对大数据量的内存分 配及存储。 2 转换测量获得的数据成三维软件识别的通用1 g e s 格式，导入三维软件即 可重构出图形，为进一步工作提供了基础。 3 去噪声点( 奇异点) 处理就是把点云数据中存在的突变点删除，使得点云 数据过渡平滑、合理。 4 对点云数据进行精简，将大量“冗余”数据按照一定的规则删除，有利于 节省资源、加快运算速度。还有数据插值，将测量过程中造成的空白数据区域补 齐，为三维重建提供了基础。 5 多视图拼合将多次测量或者重复测量的数据点云，经过坐标变换、数据统 7 一 东北大学硕士学位论文第一章概述 ，组成新的点云数据。后续工作可以直接利用此数据进行处理。 6 实现图形的显示，主要利用o p e n g l 中提供的图形库函数，按照一定的成 像原理，图形学等，将点云数据处理成图形。 8 一 东北大学硕士学位论文 第二章i g e s 数据格式转换 第二章 ig e s 数据格式的转化 2 1 测量数据格式转换 2 1 1c a d c 删数据转换标准 每一个c a d 系统都有自己的数据文件，数据文件格式与每个c a d 系统自己 的内部数据模式密切相关，目前市场上流行的c a d c a m 系统内部产品模式的数 据结构与格式备不相同，这样极大地影响了设计和制造各部门之间或企业之间的 数据传输和程序衔接的自动化，同样给c m m 和c a d c a m 的数据通信带来困难， 因此迫切希望实现数据交换文件的标准化。 目前已制定了几个主要数据交换标准，如i g e s 格式，s e t p 格式等，还有一 种不是标准，但由于c a d 系统的使用者众多，形成了事实上的企业标准，最为典 型的a u t o c a d 的d x f 图形数据交换文件。除此之外，为方便不同系统的数据交 换，一些商品化的c a d c a m 系统都具备有多个数据交换接口，如p r o e 系统就 具有i g e s ，s t e p , d x f , s e t , v d a ，p d g s ，c d r s ，e c a d ，n e u t r a l 等多种输入、输出 转换格式。 s t e p 标准是国际标准化组织规定的i s o 标准，是唯一能够描述和支持产品所 有定义信息的交换标准，目前仍在发展和完善中。在c m m 与c a d c a m 系统的 数据传输中，由于c m m 得到的数据主要是物体表面的坐标点数据，尽管i g e s 格 式在实际应用中仍然存在一些问题，但由于c m m 的数据简单，通过i g e s 格式转 换较简单，而且几乎所有的国际上知名的c a d 系统都配置了i g e s 接口是 c a d c a m 系统之间图形信息交换的一种规范。因此，在c m m 和c a d c a m 系 统之间以i g e s 格式传输数据就成为标准的选择和配置。 2 1 2i g e s 标准 i g e s ( 1 n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 是在美国国家标准局的倡导下，由 美国国家标准协会( a n s i ) 组织波音公司，通用电气公司等共同商议制定的，1 9 8 0 年初公布第一版，以后不断修订，1 9 9 0 年发展到第五版，并且成为事实上的国际 标准。它有一系列产晶的几何，绘图。结构和其它信息组成，可以处理c a d c a m 系统中的大部分信息，是用来定义产品几何形状的现代交互图形标准。i g e s 标准 9 东北大学硕士学位论文 第二章 g e s 数据格式转换 规定了文件结构的格式、语言格式以及按这些格式所表示的几何的、拓扑的、非 几何的产品定义数据。其数据文件是若干个实体的集合，用几何和非几何的信息 描述产品，其中几何信息包括了点、线、圆弧、参数曲线、n u r b s e 曲线、参数 曲面、n u r b s e 曲面和裁剪曲面等各种元素，非几何信息则分为标注、定义和组 织等。其文件组织是以a s c i i 码记录长度为8 0 个字符的固定长格式。 i g e s 文件格式分为a s c i i 格式和二进制格式。a s c i i 格式便于阅读，二进制 格式适于处理大容量文件。以下就点在i g e s 中的a s c i i 格式表示格式，对i g e s 的总体结构作简单说明： 2 2i g e s 文件的总体结构 i g e s 数据文件分为五个段1 2 2 】：开始( s t a r t ) 段，全局( g l o b a l ) 段，元素索 引( d i r e c t o r ye n n w ) 段，参数数据( p a r a m e t e rd a t a ) 段和结束 ( t e r m i n a t e ) 段。开始段是给人们提供一个可读文件的序言。全局参数段存放前 置处理器的描述信息及为处理该文件的后置处理器所需要的信息。目录条目段的 目的在于为文件提供一个索引并含有每个实体的属性信息。实体信息存在参数数 据段中，结束段包含上述各段中每个段所使用的表示段类型的字母及最后序号。 其图形数据具有量大、结构复杂和不等长特点，且包括几何信息与非几何信息。 手f 空台段 上 全局参数段 上 元素索弓i 段 上 参数数据段 、l 结束段 图2 1a s c i i 的文件组织结构 f i g2 1t h es t r u c t u r eo f i g e sf i l e 文件每行8 0 个字符。每段若干行，每行的第l 7 2 个字符为该段的内容；第7 3 个 字符为该段的段码；第7 4 8 0 个字符为该段每行的序号。段码是这样规定的：字 符“b ”或“c ”表示标记段：“s ”表示开始段；“g ”表示全局段：“d ”表示元素 索引段；“p ”表示参数记录段；“t ”表示结束段。下面是五个区的介绍： 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章i g e s 数据格式转换 1 ) 起始区( s t a r ts e c t i o n ) i ( 3 e s 文件的起始区只提供一个可读的文件序言。该区的所有记录在7 3 列必 有字母s ，行序号位于7 4 8 0 列。它至少有一个记录，该记录有可能只有7 3 列的 s 和7 4 8 0 列的行序号而其它列全为空。以后叙述简称该区为s 区。 2 ) 全局区( g l o b a ls e c t i o n ) 该区包含描述前处理器和后处理器生成文件所需的信息。该区所有记录在7 3 列必有字母g ，行序号位于7 4 8 0 列。这部分参数以自由格式输入，各参数均以 自定义的记录结束符( 一般为逗号) 终止。该区共有2 4 2 6 个参数，主要有：文 件名、c a d 系统类型、单位、文件生成日期，i ( 3 e s 的版本等。表2 1 是g 区参数。 表2 1 g 区参数说明 t a b l e2 1t h ep a r a m e t e ro f g 序号数据类型g 区参数说明 l s t r i n g 参数间隔符，缺省定义为逗号 2 s t r i n g 记录间隔符，缺省定义为分号 3 s t r i n g 发送方系统的产品标识 4 s t r i n g i g e s 文件名 5 s t r i n g 系统标识码 6 s t r i n g 前处理系统的软件版本号，就是c a d 系统的类型及版本 7 i n t e g e r 整数字长( b i t ) 8 i n t e g e r 十进制表示的单精度浮点数指数的位数 9 i n t e g e r 单精度浮点数的位数 l o i n t e g e r 十进制表示的双精度浮点数指数的位数 l l i n t e g e r 双精度浮点数的位数 1 2 s t r i n g 接收方的产品标识 1 3r e a l 模型空间与真实空间的比例 1 4 i n t e g e r 单位标识，用整数数值表示所使用的测量单位： l 一英寸2 一毫米3 一参数1 5 的单位4 一英尺5 一英里 6 一米7 一公里8 一毫米卜